Dans le domaine des semi-conducteurs, le nitrure de gallium (GaN) est devenu un matériau clé pour les applications de haute fréquence, de haute puissance et d’appareils optoélectroniques en raison de ses excellentes propriétés électriques et optiques. Le substrat épitaxial, en tant que base pour soutenir la croissance du nitrure de gallium, joue un rôle décisif dans la performance de l’appareil final. Outre le saphir et le silicium couramment utilisés, des matériaux tels que le carbure de silicium (SiC), le nitrure d’aluminium (AlN) et l’oxyde de zinc (ZnO) présentent également un grand potentiel comme substrats épitaxiaux pour le nitrure de gallium, chacun avec des avantages uniques et des scénarios d’application appropriés.
Le carbure de silicium présente une bonne compatibilité avec le nitrure de gallium en termes de structure en réseau. Le décalage du réseau entre eux n’est que d’environ 3,5 %, ce qui est beaucoup plus faible que celui des substrats de saphir et de silicium. Le décalage relativement faible réduit fondamentalement la probabilité de génération de dislocation dans le nitrure de gallium pendant le processus de croissance épitaxiale, facilitant l’acquisition de couches épitaxiales de haute qualité et à haute cristallinité. En termes de propriétés électriques, cet avantage est particulièrement crucial car il peut efficacement supprimer le courant de fuite et améliorer la mobilité des électron, répondant aux exigences de performance strictes des appareils à haute puissance et à haute fréquence.
En termes de propriétés thermiques, le carbure de silicium a une conductivité thermique élevée de 490 W/(m·K), ce qui en fait un excellent " dissipater" de chaleur. Dans les lasers à semi-conducteur de haute puissance, qui ont des exigences extrêmement élevées pour la dissipation de chaleur, le substrat de carbure de silicium peut rapidement dissiper la chaleur, maintenir la stabilité du device' la température de fonctionnement de S, évitent la dégradation de représentation ou même l’échec provoqué par la surchauffe, et assurent le fonctionnement stable à long terme de l’appareil.
La stabilité chimique confère au substrat en carbure de silicium un autre avantage. Sous des températures élevées et des environnements chimiques complexes, il peut créer une condition stable et fiable pour la croissance épitaxiale du nitrure de gallium, facilitant le contrôle précis des paramètres de croissance et de la qualité de la couche épitaxiale. Actuellement, les matériaux à base de nitrure de gallium à base de carbures de silicium ont été profondément intégrés dans des domaines clés tels que les amplificateurs de puissance dans les stations de base de communication 5G et les dispositifs de radiofréquence dans les systèmes radar. Tirant parti de leurs avantages haute fréquence et haute puissance, ils améliorent considérablement la transmission du signal et l’efficacité du traitement de la puissance.
2. Substrat de nitrure d’aluminium (AlN)
Le substrat en nitrure d’aluminium correspond presque parfaitement au nitrure de gallium, avec une inadéquation du réseau de moins de 1%. L’alignement presque idéal de la grille permet la croissance en douceur de couches épitaxiales de nitrure de gallium de haute qualité. Lors de la fabrication d’appareils optoélectroniques ayant des exigences extrêmement élevées en matière de qualité cristalline, comme les diodes émettrices de lumière ultraviolets profondes (UV - LED), la petite incompatibilité du réseau aide à améliorer l’efficacité lumineuse, à améliorer la stabilité de l’appareil, à réduire la recombinaison non radiative causée par des défauts du réseau, et à prolonger la durée de vie du dispositif.
Le nitrure d’aluminium a une conductivité thermique d’environ 320 W/(m·K), ce qui est suffisant pour répondre aux exigences de dissipation de chaleur des dispositifs de nitrure de gallium de grande puissance. Ses propriétés chimiques stables lui permettent de maintenir un environnement chimique stable tout au long de la croissance épitaxiale du nitrure de gallium, facilitant ainsi le réglage fin de paramètres clés tels que l’épaisseur et la concentration de dopage de la couche épitaxiale pour produire des produits de haute qualité. Par conséquent, les substrats en nitrure d’aluminium sont principalement utilisés dans la fabrication de dispositifs optoélectroniques à haute performance et de dispositifs électroniques de haute puissance, tels que les del à haute luminosité et les diodes laser, démontrant ainsi leur excellente performance.
3. Substrat d’oxyde de Zinc (ZnO)
L’oxyde de Zinc a une structure de réseau similaire au nitrure de gallium, et la décorrespondance de réseau entre eux est relativement faible, créant des conditions favorables à la croissance des couches épitaxiales de nitrure de gallium et facilitant la croissance des couches épitaxiales avec une excellente qualité cristalline, posant une base solide pour la recherche et le développement de dispositifs électroniques à haute performance.
Bien que sa conductivité thermique ne soit pas aussi élevée que celle du carbure de silicium et du nitrure d’aluminium, il peut essentiellement répondre aux besoins de dissipation de chaleur de certains dispositifs et maintenir la plage de température normale de fonctionnement des dispositifs. En termes de stabilité chimique, en ajustant précisément le processus de croissance, l’oxyde de zinc peut fournir un environnement chimique relativement stable pour la croissance épitaxiale du nitrure de gallium, évitant les interférences inutiles des réactions chimiques. Actuellement, des matériaux de nitrure de gallium à base de zno émergent dans le domaine des dispositifs et capteurs optoélectroniques. Par exemple, dans la préparation de détecteurs à rayons ultraviolets, la sensibilité des détecteurs peut être considérablement améliorée en tirant parti des avantages de l’appariement des réseaux et des propriétés photoélectriques.
En conclusion, les matériaux de substrat tels que le carbure de silicium, le nitrure d’aluminium et le ZnO, avec leurs avantages uniques respectifs, ont élargi la gamme de substrats épitaxiaux pour le nitrure de gallium. Avec les progrès continus de la science des matériaux et des procédés de semi-conducteurs, différents matériaux de substrat seront mieux adaptés aux exigences des dispositifs correspondants, favorisant ainsi les dispositifs à semi-conducteurs à base de niture de gallium pour atteindre des niveaux de performance plus élevés et libérer davantage de possibilités d’applications émergentes.
